TWI579537B - Method of extracting dynamic vibration frequency - Google Patents

Description

擷取動態振動頻率之方法

本發明有關於一種擷取動態振動頻率之方法，特別是關於一種擷取切削時動態振動頻率之方法。

微銑削製程加工市場需求急增，產業競爭重點已朝向智能化發展，其中最重要的環節是即時切削振動監測考量，可作為主軸運作狀況瞭解及設備製程良率控制。然而，目前市售具高精度切削振動感測裝置單價較高，導入可行性不佳。

線上顫振抑制(on-line chatter avoidance)主要功能為保護切削工具機。透過安裝在切削工具機加工區(如主軸的板金上)的微型振動感測元件，設於後端的分析軟體可偵測單一加工時的振動頻率，缺乏切削振動模態資訊。若已知該主軸的切削動態振動頻率及振動模態，則可調整切削的狀態，並線上改變轉速及進給，進而把工件物料的浪費降到最低，也可避免傷害刀具。

美國專利公開號US 20140067289A1揭示一種整合振動量測及分析系統，其包括一種振動量測訊號處理方法，透過IIR的濾波手段可以分析即時的整合或差動振動訊號，可以降低系統硬體的複雜程度及資料儲存需求。

然而，上述專利文獻並無揭示將多個振動量測元件在一主軸之兩側進行對稱式佈點的設計方式，可直接去除環境干擾之雜訊，並快速得到切削時動態振動頻率及模態資訊。

有鑑於此，因此，便有需要提供一種擷取動態振 動頻率及振動模態之方法，來解決前述的問題。

本發明的主要目的在於提供一種擷取切削時動態振動頻率之方法，可直接將環境干擾之雜訊去除，並快速得到切削時動態振動頻率及振動模態。

為達成上述目的，本發明提供一種擷取動態振動頻率之方法，包括下列步驟：選用至少五雙振動量測元件，其包括第一雙至第五雙振動量測元件，其中該第一雙振動量測元件包括兩第一振動量測元件，該第二雙振動量測元件包括兩第二振動量測元件，依此類推；決定該第一雙至第五雙振動量測元件頻寬範圍；將該第一雙至第五雙振動量測元件依序在一主軸之幾何結構對稱的第一側及第二側，以對稱式佈點方式進行振動位移量的量測；利用該第一雙振動量測元件之間、該第三雙振動量測元件之間或該第五雙振動量測元件之間所量測的振動位移量差值，進行校正該第一側及第二側之其中一者的該第一至第五振動量測元件所量測之振動位移量，以差動消除產生環境干擾之雜訊；利用該第二雙及第四雙振動量測元件之已校正及未校正的振動位移量對該第一雙振動量測元件、該第三雙振動量測元件、及該第五雙振動量測元件之已校正及未校正的振動位移量進行內插法計算，用以計算出位在該第一側及第二側之至少一雙節點的位置；利用前述步驟之該些振動位移量以推算出一雙主諧波之動態振動頻率；以及確認該主軸之振動模態。

本發明之設計藉由一種多個振動量測元件對稱佈點方式可以快速量測切削過程中的動態振動頻率，由於對稱佈點其感測訊號理論值會相同，但受到環境影響程度不相同，因此藉由訊號差值計算方式可以清楚瞭解切削動態振動頻率、模態、以及節點位置。本發明之技術可提出可使該量測系統不會受到環境干擾而影響精度，進而能準確擷取出切 削時的動態振動頻率及振動模態。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細說明如下。

100‧‧‧切削工具機

102‧‧‧工件

110‧‧‧主軸

112‧‧‧刀具

114‧‧‧夾治具

116‧‧‧工具機平台

120a‧‧‧第一側

120b‧‧‧第二側

121a‧‧‧第一振動量測元件

121b‧‧‧第一振動量測元件

122a‧‧‧第二振動量測元件

122b‧‧‧第二振動量測元件

123a‧‧‧第三振動量測元件

123b‧‧‧第三振動量測元件

124a‧‧‧第四振動量測元件

124b‧‧‧第四振動量測元件

125a‧‧‧第五振動量測元件

125b‧‧‧第五振動量測元件

126‧‧‧訊號截取盒

128‧‧‧電腦

S200~S260‧‧‧步驟

圖1為本發明之一實施例之擷取動態振動頻率之方法的流程圖；圖2a為本發明之一實施例之至少五雙振動量測元件之側視示意圖；圖2b為本發明之一實施例之切削工具機及量測系統之側視示意圖；以及圖3為本發明之一實施例之切削時該第一側之及第二側之一雙主諧波之示意圖。

請參考圖1，其顯示本發明之一實施例之擷取動態振動頻率之方法，包括下列步驟：在步驟S200中，選用至少五雙振動量測元件，其包括第一雙至第五雙振動量測元件。請參考圖2a，其顯示本發明之一實施例之該第一雙至第五雙振動量測元件121a、121b、122a、122b、123a、123b、124a、124b、125a、125b。該第一雙振動量測元件121a、121b包括兩第一振動量測元件121a、121b，該第二雙振動量測元件122a、122b包括兩第二振動量測元件122a、122b，依此類推該振動量測元件可為一振動加速規，用以量測一振動位移量。請參考圖2a及圖2b，一量測系統包括該第一雙至第五雙振動量測元件121a、121b、122a、122b、123a、123b、124a、124b、125a、125b 一訊號截取盒126及一電腦128，其中該第一雙至第五雙振動量測元件121a、121b、122a、122b、123a、123b、124a、124b、125a、125b電性連接該訊號截取盒126，且該訊號截取盒126電性連接該電腦128。

在步驟S210中，決定該第一雙至第五雙振動量測元件頻寬範圍。舉例，決定該第一雙至第五雙振動量測元件121a、121b、122a、122b、123a、123b、124a、124b、125a、125b頻寬範圍介於50Hz~10KHz。該第一雙至第五雙振動量測元件121a、121b、122a、122b、123a、123b、124a、124b、125a、125b頻寬範圍須涵蓋該操作頻率範圍(例如150Hz~400Hz)。

在步驟S220中，將該第一雙至第五雙振動量測元件依序在一主軸之幾何結構對稱的第一側及第二側，以對稱式佈點方式進行振動位移量的量測。請再參考圖2b，該主軸為一切削工具機100之一主軸110。詳言之，該切削工具機100更包括一刀具112、一夾治具114及一工具機平台116。該刀具112固設於該主軸110，並用以旋轉切削一工件102，該夾治具114用以夾持該工件102，且該工具機平台116用以支撐並固定該夾治具114。

該第一雙至第五雙振動量測元件121a、121b、122a、122b、123a、123b、124a、124b、125a、125b依序對稱地固設在該主軸110之第一側120a及第二側120b。該第一雙至第五雙振動量測元件121a、121b、122a、122b、123a、123b、124a、124b、125a、125b在該主軸110之第一側120a及第二側120b的位置為該主軸110之幾何結構對稱位置(例如該主軸之形狀上的對稱位置)。在本實施例中，該第一側120a同一側之該第一至第五振動量測元件121a、122a、123a、124a、125a，相鄰的兩個振動量測元件以相等距離方式分佈在該主軸，該第二側120b同一側之該第一至第五振動量測元 件121b、122b、123b、124b、125b，相鄰的兩個振動量測元件以相等距離方式分佈在該主軸，且兩兩之間的距離約為50mm。在其他實施例中，同一側之該第一至第五振動量測元件，相鄰的兩個振動量測元件以不相等距離方式分佈在該主軸，且兩兩之間的距離可依設計需求而調整成其他數值。

在步驟S230中，在加工狀態下，利用該第一雙振動量測元件之間、該第三雙振動量測元件之間或該第五雙振動量測元件之間所量測的振動位移量差值，進行校正該第一側及第二側之其中一者的該第一至第五振動量測元件所量測之振動位移量，以差動消除產生環境干擾之雜訊(簡言之，是藉由兩振動訊號對照分析，將環境干擾之雜訊利用振動訊號相減方式抵消)。由於所謂的對稱式佈點是指該些振動量測元件設置在該主軸110上幾何相對應處，因此振動時這些位置點會有相同增益的振動訊號。環境干擾之雜訊去除可藉由上述相同的增益振動訊號作為基礎值，並利用訊號差值計算方式完成。

在本實施例中，校正該第一側及第二側之其中一者的該第一至第五振動量測元件所量測之振動位移量的步驟中，包括下列步驟：計算出該第一雙振動量測元件之間所量測的一第一振動位移量差值、該第三雙振動量測元件之間所量測的一第三振動位移量差值及第五雙振動量測元件之間所量測的一第五振動位移量差值，其中該第一、第三及第五振動位移量差值皆視為至少一雜訊所產生之環境干擾值。舉例，請參考表1，其顯示該第一側120a之第一至第五振動量測元件121a、122a、123a、124a、125a及第二側120b之第一至第五振動量測元件121b、122b、123b、124b、125b所量測之原始振動位移量。請參考表2，其顯示該第一雙振動量測元件121a、121b之間所量測的一第一振動位移量差值、該第三雙振動量測元件123a、123b之間所量測的一第三振動位移量 差值、第五雙振動量測元件1251a、125b之間所量測的一第五振動位移量差值。

在本實施例中，校正該第一側及第二側之其中一者的該第一至第五振動量測元件所量測之振動位移量的步驟中，更包括下列步驟：比較該同一側之第一、第三及第五振動量測元件所量測之振動位移量，以得出一最小振動位移量，視為一最小振幅，其中對應該最小振動位移量之該第一、第三及第五振動量測元件的其中一者的位置視為最接近節點，且對應該最小振動位移量之該第一、第三及第五振動位移量差值的其中一者視為最接近該雜訊所產生之環境干擾值。舉例，請再參考表1，該兩第三振動量測元件123a、123b所量測之振動位移量為最小振動位移量，分別是10μm及6μm，可視為該第一側120a及第二側120b之最小振幅，其對應位置可視為最接近節點。此時，對應該最小振動位移量之該第一、第三及第五振動位移量差值的其中一者(亦即第三振動位移量差值)可視為該雜訊所造成之環境干擾值，如表2所 所示。

在本實施例中，校正該第一側及第二側之其中一者的該第一至第五振動量測元件所量測之振動位移量的步驟中，更包括下列步驟：比較不同側之第一、第三及第五振動量測元件所量測之振動位移量，以得出該第一側及第二側之其中該者的該第一、第三及第五振動量測元件所量測之振動位移量較大；以及對應該最小振動位移量之該第一、第三及第五振動位移量差值的其中一者作為校正該第一側及第二側之其中該者的該第一至第五振動量測元件所量測之振動位移量。舉例，請再參考表1，比較該第一側120a之第一、第三及第五振動量測元件121a、123a、125a所量測之振動位移量與該第二側120b之第一、第三及第五振動量測元件121b、123b、125b不同側所量測之振動位移量，可得出該第一側120a是該第一、第三及第五振動量測元件121a、123a、125a所量測之振動位移量振動位移量較大的一側；以及對應該最小振動位移量之該第三振動位移量差值作為校正該第一側120a之該第一至第五振動量測元件121a、122a、123a、124a、125a所量測之振動位移量。請再參考表3，其顯示該第一側102a之已校正的振動位移量及該第二側120b之未校正的振動位移量。

在步驟S240中，利用該第二雙及第四雙振動量測元件之已校正及未校正的振動位移量對該第一雙振動量測元件、該第三雙振動量測元件、及該第五雙振動量測元件之已校正及未校正的振動位移量進行內插法計算，用以計算出位在該第一側及第二側之至少一雙節點的位置。舉例，請參考表四，利用內插法可計算出一雙節點的位置會位於該第三雙振動量測元件123a、123b及第四雙振動量測元件124a、124b的位置之間，亦即可計算出該一雙節點的橫軸及縱軸座標值分別為(X1,0)及(X2,0)，如圖3所示。

在步驟S250中，利用步驟S220至步驟S240之該些振動位移量以推算出一雙主諧波之動態振動頻率。舉例，請再參考表四，利用表四的橫軸及縱軸座標值可推導出 切削時該第一側120a之及第二側120b之一雙主諧波，如圖3所示，並推算出該一雙主諧波之動態振動頻率。

在步驟S260中，確認該主軸之振動模態。舉例，利用該一雙主諧波之動態振動頻率及該一雙節點位置可確認該主軸110之振動模態。

本發明之設計藉由一種多個振動量測元件對稱佈點方式可以快速量測切削過程中的動態振動頻率，由於對稱佈點其感測訊號理論值會相同，但受到環境影響程度不相同，因此藉由訊號差值計算方式可以清楚瞭解切削動態振動頻率、模態、以及節點位置。本發明之技術可使該量測系統不會受到環境干擾而影響精度，進而能準確擷取出切削時的動態振動頻率及振動模態。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

S200~S260‧‧‧步驟

Claims (8)

1. 一種擷取動態振動頻率之方法，包括下列步驟：選用至少五雙振動量測元件，其包括第一雙至第五雙振動量測元件，其中該第一雙振動量測元件包括兩第一振動量測元件，該第二雙振動量測元件包括兩第二振動量測元件，依此類推；決定該第一雙至第五雙振動量測元件頻寬範圍；將該第一雙至第五雙振動量測元件依序在一主軸之幾何結構對稱的第一側及第二側，以對稱式佈點方式進行振動位移量的量測；利用該第一雙振動量測元件之間、該第三雙振動量測元件之間或該第五雙振動量測元件之間所量測的振動位移量差值，進行校正該第一側及第二側之其中一者的該第一至第五振動量測元件所量測之振動位移量，以差動消除產生環境干擾之雜訊；利用該第二雙及第四雙振動量測元件之已校正及未校正的振動位移量對該第一雙振動量測元件、該第三雙振動量測元件、及該第五雙振動量測元件之已校正及未校正的振動位移量進行內插法計算，用以計算出位在該第一側及第二側之至少一雙節點的位置；利用前述步驟之該些振動位移量以推算出一雙主諧波之動態振動頻率；以及利用該一雙主諧波之動態振動頻率及該一雙節點位置，確認該主軸之振動模態。
2. 如申請專利範圍第1項所述擷取動態振動頻率之方法，其中校正該第一側及第二側之其中一者的該第一至第五振動量測元件所量測之振動位移量的步驟中，包括下列步驟： 三振動位移量差值、第五雙振動量測元件之間所量測的一第五振動位移量差值，其中該第一、第三及第五振動位移量差值皆視為至少一雜訊所產生之環境干擾值。
3. 如申請專利範圍第2項所述擷取動態振動頻率之方法，其中校正該第一側及第二側之其中一者的該第一至第五振動量測元件所量測之振動位移量的步驟中，更包括下列步驟：比較同一側之該第一、第三及第五振動量測元件所量測之振動位移量，以得出一最小振動位移量，視為一最小振幅，其中對應該最小振動位移量之該第一、第三及第五振動量測元件的其中一者的位置視為最接近節點，且對應該最小振動位移量之該第一、第三及第五振動位移量差值的其中一者視為最接近該雜訊所產生之環境干擾值。
4. 如申請專利範圍第3項所述擷取動態振動頻率之方法，其中校正該第一側及第二側之其中一者的該第一至第五振動量測元件所量測之振動位移量的步驟中，更包括下列步驟：比較不同側之第一、第三及第五振動量測元件所量測之振動位移量，以得出該第一側及第二側之其中該者的該第一、第三及第五振動量測元件所量測之振動位移量較大；以及對應該最小振動位移量之該第一、第三及第五振動位移量差值的其中該者作為校正該第一側及第二側之其中該者的該第一至第五振動量測元件所量測之振動位移量。
5. 如申請專利範圍第1項所述擷取動態振動頻率之方法，其中該主軸為一切削工具機之一主軸。
6. 如申請專利範圍第5項所述擷取動態振動頻率之方法，其中該切削工具機更包括一刀具、一夾治具及一工具機平台，該刀具固設於該主軸，並用以旋轉切削一工件，該夾 治具用以夾持該工件，且該工具機平台用以支撐並固定該夾治具。
7. 如申請專利範圍第1項所述擷取動態振動頻率之方法，其中該振動量測元件為一振動加速規，用以量測一振動位移量。
8. 如申請專利範圍第1項所述擷取動態振動頻率之方法，其中同一側之該第一至第五振動量測元件，相鄰的兩個振動量測元件以相等或不相等距離方式分佈在該主軸。